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焙燒爐火道墻結構改進方案及其新型耐火材料的應用

發布日期: 2019-11-21 14:26:22    閱讀量(143)    作者:王海燕

摘要:本文介紹了窄料箱焙燒爐火道墻、料箱結構調整改進方式,適應大型預焙陽極鋁電解槽經濟性換極周期陽極生產;按大修形式實施火道墻改造,避免焙燒爐停產損失,保證用戶產品正常供應;開發和組合使用火道墻新型耐火材料,滿足火道墻傳熱及隔熱保溫等不同性能需要。

焙燒是預焙陽極生產的關鍵工序,隨著國內預焙陽極鋁電解槽的大型化發展,鋁電解工藝優化和經濟性換極周期陽極高度研究的不斷推進,國內按陽極高度550mm設計的窄料箱焙燒爐,制約了大型鋁電解槽用和經濟性換極周期預焙陽極的生產,都面臨再次改造的問題。本文結合預焙陽極生產實際及焙燒爐火道墻大修實踐,對按陽極高度550mm設計的窄料箱陽極焙燒爐的結構優化進行了探索和實踐,提出窄料箱焙燒爐結構優化改造的實踐方法和火道墻新型耐火材料的組合應用。

1、改造的條件和方案

1.1改造的條件

(1) 在用戶現有鋁電解裝備條件下,陽極理想的換極周期要求在32天及以上。根據換極周期要求,經測算現用戶開槽陽極的經濟高度在605mm及以上,相應要求焙燒爐料箱寬度≥740mm。

(2) 焙燒爐火道墻已到大修周期。由于焙燒爐長期連續生產火道墻變形較多,出現部分爐室料箱尺寸較大變化,經常造成裝(出)爐陽極碰損、擠壞火道墻,嚴重的火道墻變形已經影響到料箱的正常生產使用,已到大修期。近幾年已安排一定量火道墻的大修,還有相當量的火道墻等待大修。

1.2改造方案

考慮到盡可能降低因火道墻內腔改變對熱工工藝的影響,確定改造實施方案為:

(1) 火道墻磚(砌塊構件)寬度由110mm改為100mm。

(2) 火道規格為:長5246×寬490X高5440mm;火道墻內腔寬度由310mm減至290mm,相應內腔截面面積減少6.5%。

(3) 料箱規格為:長5246X寬743X高5360mm;相應控制火道墻側填充料厚度到單側≥60mm。

(4) 對橫墻爐室間連通火道部位進行調整改進,并增加一道豎直插板密封裝置。

2、新型耐火材料的使用

2.1開發使用高強度大規格火道墻砌塊

結合焙燒爐火道墻大修廢磚的無害化利用,近幾年來開發應用以大修火道墻廢磚破碎料為骨料,配合耐火充填料和膠質混合劑等材料,設計有不同規格模具,經由高頻震動澆注成型,現場預制大規格火道墻砌塊構件,從2014年起替換耐火磚在焙燒爐火道墻大修中使用。

預制大規格火道墻砌塊構件特點和性能:

(1) 大型化、強度高。預制砌塊構件比傳統焙燒爐火道墻耐火磚大數倍,在焙燒溫度下承重合力提高,抗扭曲能力隨之增大。減少了傳統焙燒爐火道墻耐火磚,在使用過程中出現下沉、扭曲、開裂等影響使用壽命缺陷,預期可延長火道墻使用壽命。

(2) 不易變形。預制砌塊構件經由高頻震動澆注成型,其結構比傳統火道墻耐火磚更加致密,配置的原材料經1500℃以上高溫燒制而成,焙燒溫度下其物理性能穩定,使用過程荷重軟化溫度顯著提高,高溫蠕變率小,砌塊構件不易變形。

(3) 密度高、高溫性能好。預制砌塊構件采用超特微粉材料作充填料,其流動性、滲透性極強,預制砌塊構件密度在2.35-2.45g/cm。,在高溫階段導熱系數好于傳統火道墻磚。

(4) 砌筑快捷、高效。預制砌塊構件砌筑過程,可使用一定的機械配合,省時、省工、施工方便,砌筑更加高效、快捷,能提高火道墻大修速度。

(5) 節能環保。現場澆注預制無需大型機械設備,每生產一噸預制砌塊構件只需幾度電,不需高溫燒結;預制砌塊構件用了近50%的大修火道墻廢耐火磚破碎料作骨料,回收利用廢磚減少了對環境的影響。降低了原料成本。

2.2組合使用火道墻新型耐火材料

除開發應用預制大規格火道墻砌塊構件外,還選擇使用近幾年耐火材料廠家研發的新型耐火材料,來改善火道墻傳熱及隔熱保溫不同性能需要,顯著提高火道內輻射傳熱能力和熱傳遞效果,減少爐頂散熱損失,延長爐體使用壽命,改善爐頂觀察孔氣密性,減少高溫氣體外逸而造成的熱量損失等。

2.2.1具有蓄熱保溫功能的邊火道耐火磚

陽極焙燒爐邊火道普遍存在溫度控制難、焙燒過程火道負壓高、燃燒器供氣開度大,且溫度落后中間火道的現象。分析其原因:主要由于邊火道墻單側受熱和邊火道墻所用耐火磚的導熱率高,造成火道墻內的熱能向外墻傳遞過快,造成邊火道能耗高,且溫度跟不上中間火道,影響整個爐室火道間運行溫度的均衡,對產品均質也有很大的制約。

新型蓄熱保溫耐火磚采用嵌合結構的設計,其外型結構形狀與現使用火道墻磚相仿,沿長度方向的中間部位帶有凸凹槽。特點和性能:區別在于新型蓄熱保溫耐火磚凸凹槽的兩邊備有一排上下貫通結構的孔洞,利用上下貫通孔來降低耐火磚導熱性能,阻止熱能的快速傳遞。耐火磚上下貫通孔不但可以阻止熱能的傳遞,而且還可以儲存熱能,起到保溫的作用。

2.2.2應用節能型爐頂耐火材料

(1) 火道墻節能爐頂板及雙層爐口密封蓋

主要針對解決現有火道墻預制塊觀察孔密封性能差、漏風嚴重和爐面溫度過高、熱能損耗大的問題。新型火道墻節能爐頂板及雙層爐口密封蓋,其特點:主要選用兩種耐火材料,上部選用一層體積密度在1.6-1.7g/cm3的高強半輕質保溫材料,下部為高強重質耐火材料,制作成為復合保溫爐頂板。同時,為了更好的降低爐口熱耗損失和漏風現象,把爐口結構改為雙層密封結構的爐口蓋。使用該種耐火材料后觀察孔密封性能大為改善,爐面溫度相應地降低,而且移爐操作比三件套組件更加簡便,縮短了移爐作業時間。

(2) 高強隔熱澆注料蓋板磚和耐高溫遠紅外輻射涂料

選用高強隔熱澆注料蓋板,主要針對火道墻爐面溫度過高,熱能損耗大的問題所采取的一種節能措施。主要方法是把火道墻上部的原蓋板磚改為用體積密度在1.6-1.7g/cm的高強半輕質保溫材料制作的保溫蓋板,該材料耐火度大于1750℃,可以直接接觸火焰,使用溫度在1300℃以上。

高強隔熱澆注料蓋板男一個技術特點是:在其接觸火焰的底部涂抹了一層厚度在0.3-1.0mm的高溫遠紅外輻射節能涂料。該涂料是一種用于工業窯爐的高效節能環保新產品,可直接噴涂在各種高溫窯爐的耐火材料表面,形成一層堅硬的陶瓷釉面硬殼,能起到有效反射爐膛內紅外熱能的作用,顯著提高爐膛內的熱傳遞效果,減少外壁散熱損失,提高爐體氣密性,減少高溫氣體外逸而造成的熱量損失等特點。同時,起到保護爐體、延長火道墻使用壽命作用。

(3) 耐高溫遠紅外輻射涂料

耐高溫遠紅外輻射涂料正常使用溫度≥1400℃-1600℃,最高使用溫度1700℃。該涂料采用過渡族元素氧化物、氧化鋯、高溫體系高級耐火材料超細粉體材料、經過高溫摻雜形成固溶體,既增加了材料電子的能級,提高熱能紅外輻射系數,又保持了相應的耐熱性能,高強度、耐腐蝕性強、耐磨性能優異,提高了涂層整體強度和致密性。稀土元素氧化物的摻入能提高反應物的活性,同時也是摻雜和穩定涂層結構的優選最佳材料。

該涂料在高溫窯爐、爐膛內襯上形成致密陶瓷輻射涂層,并通過涂層紅外輻射,改善爐內熱交換工況,在同樣的加熱條件下,由于傳熱能力的加強,提高了爐膛內燃燒溫度及燃燒均勻性,使燃料燃燒更充分,達到增加加熱效率,減少能耗、節約能源和延長爐體內襯使用年限。涂料涂層使用最佳壽命為4-5年,因此,每隔4年左右時間在原有的涂料涂層上再噴涂/刷一次,保持涂層的最佳工作狀態。

3、結論

(1) 焙燒爐火道墻結構改進,使裝爐料箱寬度由703mm增加到743mm,解決了高度620mm以內經濟性陽極生產難題,能生產滿足用戶32天及以上經濟性換極周期高度陽極。

(2) 焙燒爐料箱、火道墻結構調整改進,按火道墻大修形式安排,避免了焙燒爐停產損失,保證了客戶正常產品需求供應,為窄料箱焙燒爐料箱擴大改造提供了可以借鑒的路徑。

(3) 目前,使用現場預制砌塊構件火道墻已占到34室焙燒爐火道墻的近四分之一,最早使用的預制砌塊構件火道墻已運行近三年,未出現下沉、彎曲變形等情況。

(4) 火道墻預制砌塊構件消化了近50%的大修火道墻廢磚,不僅降低了預制砌塊構件生產成本,而且為固廢的綜合利用拓展了新的途徑。

(5) 組合使用焙燒爐火道墻新型耐火材料,滿足了火道墻傳熱及隔熱保溫不同性能的需要,顯著提高火道內輻射傳熱能力和熱傳遞效果,減少爐頂散熱損失,延長爐體使用壽命,改善爐頂觀察孔氣密性,減少高溫氣體外逸而造成的熱量損失等,對降低焙燒過程中的燃料消耗、減少爐面作業人員熱輻射起到了好的作用。

作者:章信忠

(福建省和順碳素有限公司,福建南平353012)

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